Zasoby i wykorzystanie energii odnawialnej w Polsce

Około 80% energii słonecznej, jaką możemy w Polsce wykorzystać, jest dostępne w półroczu wiosenno-letnim. Przestrzenny rozkład nasłonecznienia na obszarze kraju nie jest tak zróżnicowany (różnice nie przekraczają 5–10%), chociaż stosunkowo najlepsze warunki występują na wybrzeżu Morza Bałtyckiego oraz na Lubelszczyźnie.

Energia biomasy może być wykorzystana w procesach bezpośredniego spalania biopaliw stałych i gazowych lub przetwarzana na paliwa ciekłe. Obecnie zasoby biomasy stałej to w większości drewno i jego odpady (powstałe przy pozyskiwaniu drewna w leśnictwie i jego przeróbce przez przemysł tartaczny, meblowy, papierniczy) oraz nadwyżki słomy niewykorzystanej jako ściółka w hodowli lub do nawożenia gleb. W miarę zagospodarowywania biomasy dla pozyskania energii zasoby tych surowców zaczną się wyczerpywać, a wtedy coraz większą rolę pełnić będą uprawy na cele energetyczne roślin zielnych jednorocznych (tj. zbóż, konopii, kukurydzy, rzepaku, słonecznika), traw (z rodzajów Miscanthus, Arundo, Spartina), szybko rosnących roślin drzewiastych (topoli, wierzby) i innych gatunków.

Uprawy te mogą być także wykorzystane do produkcji biopaliw płynnych, z których znaczący udział w zaopatrzeniu transportu mogą mieć trzy grupy:

• bioetanol (odwodniony alkohol etylowy) i biodiesel (metyloestry oleju rzepakowego) — w okresie najbliższych 5 lat;
• oleje pyrolityczne produkowane z drewna pozyskiwanego z plantacji — w dalszej perspektywie;
• wodór wytwarzany z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii (słonecznej, wiatrowej oraz biomasy) i zasilający ogniwa paliwowe — w odległej przyszłości.

Zasoby biogazu, będącego produktem fermentacji metanowej odpadów organicznych, są rozlokowane punktowo w miastach (wysypiska odpadów komunalnych, oczyszczalnie ścieków, składowiska odpadów przemysłowych, zwłaszcza przetwórstwa spożywczego i odchodów zwierzęcych) i w dużych gospodarstwach specjalizujących się w produkcji zwierzęcej. Ten sektor energetyki odnawialnej rozwija się dynamicznie w ostatnich latach, gdyż energetyczne wykorzystanie biogazu poprawia wskaźniki ekonomiczne i ekologiczne poprzez utylizację odpadów. Z biogazu można produkować energię cieplną i elektryczną lub oba te nośniki w skojarzeniu. Może on także zastąpić gaz ziemny w zaopatrzeniu transportu albo w sieci gazowej.

Biomasa jest w Polsce najbardziej obiecującym źródłem energii, zarówno ze względu na duże zasoby i możliwość ich zwiększenia dzięki tak zwanym uprawom energetycznym, jak i na różnorodność wykorzystania (energia cieplna, elektryczna i paliwa transportowe). Jej polskie zasoby są zagospodarowane w najwyższym stopniu — 12%, podczas gdy na przykład energii geotermalnej w 0,1%, a energii promieniowania słonecznego zaledwie w 0,002%. Energia wyprodukowana z biomasy stanowi 98% energii pozyskiwanej w Polsce z odnawialnych źródeł.

Wody geotermalne znajdują się pod powierzchnią prawie 80% terytorium Polski, koncentrują się na obszarze Podkarpacia, a także w pasie od Szczecina do Łodzi oraz w regionie grudziądzko-warszawskim. Tam też funkcjonują ciepłownie geotermalne: w Bańskiej Niżnej k. Zakopanego, Pyrzycach k. Szczecina, UniejowieBi Mszczonowie k. Warszawy. Możliwości i opłacalność wykorzystania wód geotermalnych zależą od głębokości złoża, jego temperatury i zasolenia oraz lokalnej sieci ciepłowniczej. Polskie wody geotermalne mają stosunkowo niską temperaturę (do 80°C), co predestynuje je przede wszystkim do produkcji energii cieplnej.

Polska jest krajem nizinnym, o stosunkowo małych opadach i dużej przepuszczalności gruntów, co ogranicza zasoby energii wody (zależą one od spadku koryta rzeki oraz przepływów wody). Większość krajowych zasobów (około 70%) stanowi dorzecze Wisły, zwłaszcza jej prawobrzeżne dopływy. Wobec licznych protestów przeciwko budowie dużych elektrowni wodnych — związanych z obawami przed zatopieniem znacznych terenów i dewastacją środowiska — w ostatnich latach nie prowadzi się w Polsce ich budowy, notuje się natomiast stały wzrost liczby małych elektrowni wodnych. Ich liczba zbliża się do 600 i wciąż istnieją duże możliwości rozwoju małej energetyki wodnej, jako że zasoby energii wodnej — choć skromne — są wykorzystane zaledwie w około 5%.

Obszary o szczególnie dobrych warunkach do wykorzystywania energii wiatru to: wybrzeże Morza Bałtyckiego (zwłaszcza część zachodnia), Suwalszczyzna, a także wzniesienia południowej Polski. Sprzyjające warunki mają także inne tereny, zwłaszcza położone wyżej nad poziomem morza, bez przeszkód terenowych i zalesień. Obecnie istnieje około 40 elektrowni wiatrowych dostarczających energii elektrycznej do sieci, a zasoby energii wiatru wykorzystywane są zaledwie w około 0,1%.

Łączny roczny potencjał techniczny zasobów energii odnawialnej — OZE — w Polsce (część potencjału całkowitego możliwego do wykorzystania przy użyciu opracowanych technologii) szacuje się na 2514 PJ, w tym: energia słoneczna stanowi 1340 PJ, biomasy — 895 PJ, geotermalna — 200 PJ, wodna — 43 PJ, wiatru — 36 PJ.

Potencjał ten może pokryć prawie 60% rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną w Polsce. Obecnie wykorzystanie OZE, stanowiące według różnych autorów 2,5–5,5% krajowego bilansu paliw i energii rocznie, jest niewielkie. Dokładne dane na temat liczby instalacji, ich mocy i produkcji corocznie zamieszcza Główny Urząd Statystyczny w opracowaniu "Ochrona Środowiska" (tabela).

INSTALACJE WYKORZYSTUJĄCE ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII W POLSCE (2001 R.)

a) biomasa bez wykorzystania biopaliw płynnych; b) dane szacunkowe; c) dane z 2000 r.; d) łącznie kolektory wodne i powietrzne; e) instalacje geotermalne bez mocy szczytowych; f) instalacje balneologiczne, kąpieliska, instalacje w suszarniach płodów rolnych, szklarniach oraz hodowlach zwierząt, bez pomp ciepła; g) elektrownie wodne przepływowe o mocy powyżej 5 MW; h) elektrownie wodne przepływowe o mocy zainstalowanej poniżej 5 MW

Znaczenie odnawialnych źródeł energii na świecie i w Polsce

Wiele krajów zachodnich intensywnie rozwija ten sektor energetyki ze względu na korzyści społeczne i ekologiczne (wzrost zatrudnienia i redukcja zanieczyszczeń). Szczególnie szybko rozwój ten przebiega w krajach o bogatych zasobach OZE oraz w państwach importujących większość paliw kopalnych. Do tej grupy należą — przodujące w Europie pod względem wykorzystania OZE — kraje skandynawskie, które 20–25% zużywanej energii czerpią z odnawialnych źródeł, przede wszystkim z biomasy.

Dominującym źródłem energii na świecie są jednak wciąż paliwa kopalne: węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa oraz gaz ziemny. Największy jest udział w bilansie paliwowo-energetycznym ropy naftowej (około 35%), gazu ziemnego i węgla (po około 20%). W Polsce udział węgla w strukturze zużycia energii pierwotnej jest znacznie wyższy (około 70%), zaś odnawialnych źródeł energii zbliżony do średniej światowej (ponad 2%), jeśli nie uwzględniać dużej energetyki wodnej i tradycyjnego wykorzystania biomasy (wykres).

STRUKTURA BILANSU ENERGII PIERWOTNEJ NA ŚWIECIE I W POLSCE W 1998 r. (NA PODSTAWIE DANYCH ONZ I WEC ORAZ GUS I EC BREC)

Energetyka odnawialna jest młodym sektorem w porównaniu z konwencjonalną i — jak każda nowa dziedzina gospodarki — wymaga wsparcia w początkowym etapie rozwoju. W Polsce rozwijała się dotychczas dzięki oddolnym inicjatywom, w ostatnich latach wspomaganym przez instytucje finansujące działania proekologiczne. W najbliższych latach należy oczekiwać przyspieszenia wzrostu wykorzystania OZE w związku z przyjęciem przez rząd i Sejm RP "Strategii rozwoju energetyki odnawialnej" zakładającej 7,5% udziału OZE w krajowym bilansie energii pierwotnej do 2010 r. i 14% do 2020 r. Także przystąpienie Polski do Unii Europejskiej może przyspieszyć rozwój wykorzystania OZE w wyniku uruchomienia szeregu programów i funduszy dostępnych dla krajów członkowskich.

Koszty zagospodarowania energii z odnawialnych źródeł

W Polsce można bez trudu kupić kotły na drewno i słomę, ich sprzedażą zajmuje się około 40 producentów i importerów — w przybliżeniu około 20 dostawców dużych kotłów na drewno, 10 — małych kotłów na drewno i 10 — kotłów różnej mocy na słomę. Pomagają oni także inwestorom w modernizacji systemu grzewczego.

Nakłady inwestycyjne, w przeliczeniu na 1 kW mocy, wynoszą dla małych kotłów na drewno 130–150 zł (bez kosztów modernizacji systemu grzewczego). Duże instalacje opalane drewnem są znacznie droższe, koszt ich zakupu kształtuje się na poziomie 500–1000 zł/kW,
w zależności od stopnia automatyzacji załadunku paliwa i kontroli jego spalania. W instalacjach wykorzystujących słomę należy się liczyć z kosztami wyższymi 1,5–2 razy. Tu występuje również podobna korelacja między nakładami inwestycyjnymi (w przeliczeniu na 1 kW mocy zainstalowanej) a stopniem automatyzacji technologii.

Łatwo dostępne są również kolektory słoneczne krajowej produkcji i z importu, które są sprzedawane przez około 25 firm. Na polskim rynku funkcjonuje także wiele przedsiębiorstw zajmujących się instalacją systemów grzewczych wyposażonych w kolektory słoneczne, liczbę doświadczonych firm szacuje się na około 50.

Ceny kolektorów słonecznych cieczowych wynoszą 1000–7000 zł za 1 m² kolektora, w zależności od typu kolektora, wielkości i wyposażenia instalacji grzewczej (niższa cena dotyczy prostych instalacji i kolektorów). Koszty budowy kolektora słonecznego można znacznie obniżyć konstruując go samodzielnie w warsztacie rzemieślniczym. Sprawność przemiany energii oraz ilość uzyskanego ciepła z takich kolektorów jest mniejsza, ale kompensowane to jest przez obniżenie kosztów o około połowę. W oparciu o doświadczenia krajów zachodnich — głównie Austrii — Europejskie Centrum Energii Odnawialnej opracowało system budowy kolektorów metodą "zrób to sam". Zainteresowane osoby mogą zostać przeszkolone w jaki sposób — stosując proste materiały ogólnie dostępne w sklepach i narzędzia znajdujące się w każdym warsztacie — wykonać kolektor słoneczny we własnym zakresie. Urządzenie takie może, jak wynika z doświadczeń austriackich, produkować energię cieplną przez okres kilkunastu lat.

Przy ocenie opłacalności inwestycji nie można pominąć kosztów eksploatacji wymienionych urządzeń. Na koszty te składają się wydatki związane z konserwacją i obsługą urządzeń oraz zakupem paliw. Prawidłowo użytkowane kotły i kolektory w zasadzie nie wymagają konserwacji.

Obsługa kotłów małej mocy na biomasę ogranicza się do 2–3-krotnego załadunku paliwa do kotła w ciągu doby. Kotły o nowoczesnych konstrukcjach można zaopatrywać w paliwo jeden raz na dobę lub nawet na kilka dni. W instalacjach dużych mocy załadunek paliwa do kotła odbywa się automatycznie i wymaga zatrudnienia jednej osoby (kontrolującej załadunek drewna lub obsługującej wózek transportujący słomę do kotła albo na stół podający ją do rozdrabniacza). Pozyskanie drewna lub słomy i ich transport do magazynu wymaga większej liczby pracowników. W opisanym dalej Miejskim Zakładzie Oczyszczania w Otwocku, wykorzystującym zrębki drzewne do ogrzewania szklarni, zatrudnienie nie uległo zwiększeniu. Pracownicy prowadzący zabiegi w zieleni miejskiej zmienili jedynie sposób zagospodarowania odpadów drzewnych — zamiast składowania na wysypisku są one rozdrabniane i przechowywane w magazynie. Inna sytuacja występuje w Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej w Lubaniu, gdzie przy zbiorze i magazynowaniu słomy pracuje sezonowo 15–20 osób.
Obsługa kolektorów słonecznych ogranicza się do okresowej kontroli ich stanu (i stanu instalacji grzewczej) oraz oczyszczenia ich z pyłu czy śniegu.

Z racji wysokich kosztów inwestycyjnych elektrownie wodne, wiatrowe, ciepłownie geotermalne i biogazownie mają małą szansę zastosowania w indywidualnych gospodarstwach. W siłowniach wiatrowych koszt każdego kilowata mocy zainstalowanej wynosi średnio około 4000 dolarów. W elektrowniach o dużych mocach koszty te są niższe.

Wysokość nakładów inwestycyjnych przeliczonych na 1 kW mocy wybudowanej elektrowni wodnej jest zależna nie tylko od typu turbiny, ale przede wszystkim od kosztu budowli piętrzących wodę. Koszt 1 kW mocy waha się w granicach od 2000 do 18 000 zł, a koszty robót piętrzących wodę stanowią 40–80% nakładów inwestycyjnych. Takie parametry ekonomiczne powodują, że inwestycje w energetyce wiatrowej i wodnej prowadzone są głównie przez firmy zainteresowane sprzedażą energii elektrycznej, chociaż w szczególnych przypadkach — na przykład znacznego oddalenia zabudowań od sieci — produkcja elektryczności na potrzeby własne może być opłacalna.

Wysokie nakłady inwestycyjne związane z wykorzystaniem energii geotermalnej powodują, że także i te zasoby są użytkowane tylko w dużych instalacjach. Poza niemałymi kosztami wyposażenia ciepłowni znaczne są także koszty poszukiwania i pozyskania tej energii (zwykle konieczne jest wykonanie dwu głębokich odwiertów — do pobierania i odprowadzania wód po wykorzystaniu ciepła). Instalacje takie w Polsce funkcjonują jako miejskie ciepłownie zaopatrujące sieć ciepłowniczą okolic Zakopanego i Nowego Targu, Pyrzyc i Mszczonowa. W Bańskiej Niżnej na Podhalu ciepło z sieci jest wykorzystywane także do ogrzewania szklarni, co obniża jednostkowy koszt energii geotermalnej.

Planuje się wiele inwestycji wykorzystujących biogaz rolniczy do produkcji energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu, jednak ze względu na opłacalność, są to zwykle instalacje o większych mocach budowane przy dużych gospodarstwach hodowlanych.

Niedrogie paliwo

Szacując opłacalność inwestycji powinno się uwzględniać oszczędności wynikające z tytułu rezygnacji z zakupu paliwa kopalnego. W przypadku kolektorów słonecznych wydatki na opał są równe zeru. Podobnie nic nie kosztują biopaliwa pochodzące z własnego gospodarstwa (np. odpady drzewne z pielęgnacji sadu, nadwyżki słomy z produkcji zbóż, słoma rzepakowa). Nawet jednak, gdy drewno czy słoma są kupowane, ich cena jest znacznie niższa w porównaniu z ceną węgla.

Po uwzględnieniu wartości opałowej koszt 1 GJ zawartego w paliwie wynosi dla słomy około 7,5 zł, drewna kawałkowego — 8,5 zł (mniej dla odpadów drzewnych), węgla — 15 zł, oleju opałowego — 30 zł i gazu ziemnego — 40 zł. Ta znacząca różnica generuje oszczędności w eksploatacji kotłów na biomasę przez cały okres ich użytkowania, to znaczy przez 15–20 lat. Przyspiesza również zwrot nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji, który następuje po około 2,5 roku dla małych kotłów na słomę i po 3 latach — na drewno, a dla dużych instalacji wynosi odpowiednio około 7,5 roku i 10 lat. Liczony w ten sam sposób okres zwrotu nakładów inwestycyjnych na instalację kolektorów słonecznych wynosi około 2 lat dla kolektora słonecznego powietrznego i 5–7,5 roku dla wodnego.

Koszt produkcji 1 GJ energii cieplnej, uwzględniający zarówno nakłady inwestycyjne, jak i koszty eksploatacyjne, w technologiach OZE kształtuje się w granicach 20–30 zł i jest niższy niż dla paliw kopalnych — 30–50 zł/GJ. Kotły gazowe i olejowe produkują droższe ciepło niż nowe węglowe. Najdroższe jest jednak ciepło wytwarzane w starych, niewydajnych piecach węglowych (50 zł/GJ).

Własne środki na inwestycję zmieniającą źródło ogrzewania z kopalnego na odnawialne inwestor może uzupełnić kredytem preferencyjnym z Banku Ochrony Środowiska lub funduszami z proekologicznych instytucji. Osoby prywatne i przedsiębiorstwa mogą składać w ich siedzibach wnioski o pożyczki (wojewódzkie fundusze ochrony środowiska i gospodarki wodnej) i dotacje (Fundacja EkoFundusz).

Przykłady wykorzystania OZE

Od 1993 r. funkcjonuje w miejscowości Szczytno (woj. mazowieckie) suszarnia ziół, która ogrzewana jest przez zbudowany sposobem gospodarczym kolektor słoneczny (fot.). Przy niskich nakładach inwestycyjnych osiągnięto stosunkowo dobre parametry eksploatacyjne. Dane techniczne kolektora: model dachowy, zakryty, z przepływem powietrza pod i nad absorberem, powierzchnia — 42 m², natężenie przepływu powietrza — 1,4 m³/s, okres wykorzystania — 70 dni (licząc od czerwca do sierpnia — 700 godz.), średnie dzienne nasłonecznienie kolektora w sezonie suszarniczym — 4,8 kWh/m², średnia dzienna sprawność w sezonie suszarniczym — 57,6%, przyrost temperatury powietrza — 5–18°C, koszt budowy kolektora słonecznego w 1993 r. — 1200 zł, ilość pozyskanej energii
w roku — 50 GJ, okres użytkowania — około 15 lat.

Kolektor słoneczny przy odpowiednim natężeniu promienowania słonecznego (pozwalającym na przyrost temperatury o ponad 9°C) zastępuje węglowy, rolniczy podgrzewacz powietrza o mocy 50 kW i ogólnej sprawności 45%. Dodatkowe koszty związane z myciem i drobnymi naprawami oraz z remontami oszacowano na 2% nakładów inwestycyjnych rocznie. Po 8 latach eksploatacji kolektor wymaga wymiany uszkodzonych szyb, malowania absorbera i innych elementów. Koszty remontu oszacowano na 30% kosztów inwestycyjnych. Obsługa kolektora zajmuje około 35 godzin w okresie jego użytkowania, czyli pół godziny dziennie.

Szklarnie Miejskiego Zakładu Oczyszczania w Otwocku są ogrzewane odpadami drzewnymi pochodzącymi z rutynowej konserwacji miejskich terenów zielonych. Rozdrobnione w rębarce są spalane w kotle fluidalnym o mocy 150 kW, a otrzymanym ciepłem ogrzewane są szklarnie, w których produkuje się rozsady roślin ozdobnych na potrzeby miasta i na sprzedaż. Zrębki są wstępnie podsuszane w suszarni podłogowej zamontowanej w magazynie, co zwiększa ich wartość opałową z 6 GJ/t (wilgotność 60%) do 15 GJ/t (wilgotność 20%), a także zapobiega butwieniu i rozwojowi w nich mikroflory.

Rozdrobnione odpady drzewne transportowane są do zasobnika kotła poprzez umieszczony w podłodze przenośnik ślimakowy. Dozowanie biopaliwa do fluidalnego paleniska sterowane jest automatycznie. Woda odbierana z wymiennika ciepła ma temperaturę 95°C i ciśnienie
0,4 MPa. W sezonie grzewczym kocioł spala około 125 ton zrębków (masa przed podsuszeniem).

Koszty modernizacji kotłowni Miejskiego Zakładu Oczyszczania wyniosły około 60 000 zł, na co złożyły się: kocioł fluidalny 150 kW wraz z automatyką — 45 000 zł, wentylator osiowy — 1342 zł, suszarka podłogowa — 800 zł, przenośnik ślimakowy — 6393 zł, nagrzewnica ramowa wodna — 1208 zł, wiata magazynowa murowana — 8000 zł.

Inwestycja, otwarta w 1998 r., zwróciła się w okresie niepełnych trzech lat dzięki rezygnacji z zakupu koksu (około 20 000 zł rocznie), uniknięciu kosztów wywozu i składowania odpadów drzewnych (minimum 3780 zł rocznie) oraz zmniejszeniu opłat za gospodarcze korzystanie ze środowiska.

Dodatkowymi zaletami było zmniejszenie problemów z usuwaniem żużla i poprawa warunków pracy obsługi kotłowni w wyniku mechanizacji i automatyzacji. Korzyści ekologiczne modernizacji kotłowni, to jest ograniczenie emisji dwutlenku węgla o ponad 125 ton rocznie i dwutlenku siarki o około 1 t/rok stanowiły przekonujący argument w staraniach o dofinansowanie z Programu Małych Dotacji Globalnego Funduszu Środowiska (GEF). Dotację GEF przyznano także ze względu na upowszechnianie ciekawego rozwiązania energetycznego — zagospodarowanie odpadów drzewnych z zieleni miejskiej oraz promocję nowego rozwiązania konstrukcyjnego — kotła fluidalnego krajowej produkcji.

SUSZARNIA ZIÓŁ WYPOSAŻONA W KOLEKTORY SŁONECZNE